DE69502368T2

DE69502368T2 - Verfahren zur Verbindung eines Ventilsitzringes mit einem Zylinderkopf

Info

Publication number: DE69502368T2
Application number: DE69502368T
Authority: DE
Inventors: Akihisa Nishimura; Fumio Shimizu; Kenichi Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2015-09-30
Also published as: EP0705960B1; EP0705960A2; DE69502368D1; EP0705960A3; US5802716A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Ventilsitz, beispielsweise für ein Einlaßventil und ein Auslaßventil, die in einem Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugmotors angeordnet sind. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf.

EINSCHLÄGIGE TECHNIK

Im allgemeinen hat ein Kraftfahrzeugmotorzylinderkopf Einlaßkanäle, die durch Einlaßventile geöffnet und geschlossen werden, und Auslaßkanäle, die durch Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden. Diese Anschlüsse werden wiederholt einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt, die während dem Ansaughub durch die Luftkühlung und während dem Verbrennungshub durch das Aufheizen verursacht wird. Demgemäß erfährt jeder Anschluß eine große Wärmeermüdung.
Unter diesen Umständen wurde ein Aufbau vorgeschlagen, wobei eine derartige Wärmeermüdung verhindert wird, indem ein hitzebeständiges Metall mit einem hohen Schmelzpunkt auf Stellen gegossen wird, an denen eine hohe Hitzebeständigkeit erforderlich ist. Bei diesem Aufbau wird die Wärmeermüdung gemäßigt, indem das hitzebeständige Metall um die Ventilsitze herum gegossen wird, die auf die Öffnungskanten der Einlaßkanäle und Auslaßkanäle aufgebracht werden, um das hitzebeständige Material auf die Stellen zu bringen, an denen eine Wärmeermüdung wahrscheinlich auftritt.
Die Offenlegungsschriften der japanischen ungeprüften Patentanmeldungen Nr. Sho 58-74265 und Sho 58-74266 offenbaren jeweils ein Verfahren zum Integrieren eines Ventilsitzes für eine Einlaßkanal und eines Ventilsitzes für einen Auslaßkanal, die in einem Körper kombiniert sind, beim Gießen eines Aluminiumzylinderkopfes. Die Offenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. Hei 1-18261 offenbart ein Verfahren zum Integrieren von Metallventilsitzen der Eisenart in einem Gußeisenzylinderkopf, wenn dieser durch Gießen geformt wird. Die Qffenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. Hei 3-210961 offenbart eine Aufkohlungsbehandlung (Einsatzhärten) der Ventilsitzoberflächen, wenn Metallventilsitze der Eisenart durch Gießen in einem Gußeisenzylinderkopf integriert sind, um die Verbindung zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf zu verbessern. Des weiteren gibt es ein bereits praktisch verwendetes Verfahren, wobei Ventilsitze durch Gießen in einem Aluminiumzylinderkopf integriert sind, die aus gesintertem Material hergestellt sind, das ein Metall der Eisenart enthält.
Inzwischen werden heute Kraftfahrzeugmotoren mit höherer Leistung und höheren Drehzahlen produziert. In derartigen Motoren eingesetzte Ventilsitze müssen bei Hochtemperaturzuständen eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben. Um diese Anforderung zu erfüllen, werden bei den heutigen Ventilsitzen gesinterte Legierungen geeignet eingesetzt, die Metallelemente wie beispielsweise Cr, Ni, Co und Mo enthalten. Diese Art Ventilsitz muß fest an der Öffnung des Einlaßkanals und des Auslaßkanals befestigt werden. Da jedoch der Ventilsitz und der Zylinderkopf aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, müssen sie unabhängig ausgebildet werden. Es gibt ein alternatives Verfahren, das anders als das Gußverfahren ist, wobei der Ventilsitz in einer in dem Zylinderkopf ausgebildeten Vertiefung preßgepaßt ist. Die Offenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. Hei 5-287324 offenbart ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf, wobei ein mit einem Metall wie beispielsweise Cu oder Al durchsetzter Ventilsitz einer Widerstandsschweißung oder dergleichen ausgesetzt wird. Des weiteren offenbart die offenlegungsschrift der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. Hei 5-332106 ein Verfahren zum Bilden einer metallischen Verbindung zwischen Ventilsitzen und einem Zylinderkopf durch ein spezielles Preßschweißverfahren (explosive pressure welding).
Bei dem Preßpassungsverfahren bildet sich jedoch gewöhnlich eine thermische Luftisolationslage zwischen dem eingepreßten Ventilsitz und dem Zylinderkopf, und infolge dessen kann der Wärmeübergang von dem Ventilsitz zu dem Zylinderkopf wesentlich erschwert werden. Eine befriedigende Verbindung zwischen speziellen Ventilsitzen, die mit Materialien wie beispielsweise Cu und Al durchsetzt sind, und dem Zylinderkopf ist durch Widerstandsschweißen oder dergleichen in einem großen Bereich zwischen den Ventilsitzen und dem Zylinderkopf schwer zu erhalten, wodurch die daraus folgende Wärmeleitfähigkeit unterhalb eines Sollwerts liegt. Während das spezielle Preßschweißverfahren befriedigende Ergebnisse liefert, hat es bei der Anwendung in einer Produktionslinie viele Beschränkungen.
Um darüber hinaus den Abschnitt des Zylinderkopfes selbst zu verstärken, der den Ventilsitz aufnimmt, um den Ventilsitz beim Einpressen des Ventilsitzes in den Zylinderkopf zuverlässig zu halten, muß der Ventilsitzdurchmesser und der Einlaß- und Auslaßventiltellerdurchmesser begrenzt werden. Unter diesen Umständen ist eine Erhöhung der Effizienz des Kühlsystems für den Zylinderkopf schwierig, indem die Kühlkanäle innerhalb des Zylinderkopfes nahe den Ventilsitzen und den Brennkammern angeordnet werden. Somit ist eine Verbesserung der Motorleistung schwierig.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf, so daß die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf verbessert wird. Des weiteren verbessert das Verfahren die Antiklopfeigenschaften des Motors, indem der Temperaturanstieg des Ventilsitzes reguliert wird.
Um die vorangestellte und andere Aufgaben nach dem erfindungsgemäßen Zweck zu lösen, wird das Verfahren zum Verbinden eines aus einem Material der Eisenart hergestellten Ventilsitzes mit einem aus Aluminium hergestellten Zylinderkopf geschaffen und umfaßt einen Schritt des Zwischensetzens eines Flußmittels der Fluoridart zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren einen Schritt auf, wobei der Ventilsitz mit dem Zylinderkopf verlötetet wird, indem ein Lot der Al-Zn-Art und ein Flußmittel der Fluoridart verwendet wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, von deren Neuheit ausgegangen wird, sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angeführt. Die Erfindung wird zusammen mit den Aufgaben und ihren Vorteilen unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der momentan bevorzugten Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen am besten verständlich, wobei:
Fig. 1 bis 7 Zeichnungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Teuschnittansicht eines Ventilsitzes, der um die Öffnung eines Anschlusses herum in einem Zylinderkopf angeordnet ist;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer U-Nut, die um die Öffnung des Anschlusses herum ausgebildet ist, und einen in die Nut eingepaßten Ventilsitz;
Fig. 3 zeigt den Ventilsitz in der Seitenansicht teilweise im Schnitt;
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht, wie der Ventilsitz in der U-Nut gelötet wird;
Fig. 5 zeigt eine Teilschnittansicht des Zylinderkopfes und des Ventilsitzes, wobei diese vollständig miteinander verbunden sind;
Fig. 6 zeigt ein Zustandsschaubild eines Al-Zn-Systems; und
Fig. 7 zeigt einen Verlauf, der eine Beziehung zwischen einer Löttemperatur und dem Füllfaktor des Lots darstellt.
Fig. 8 bis 11 zeigen Zeichnungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung:
Fig. 8 zeigt einen Ventilsitz in der Seitenansicht teilweise im Schnitt;
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht einer Gußform;
Fig. 10 zeigt eine Teilschnittansicht des Zylinderkopfes und des Ventilsitzes, wobei diese vollständig miteinander verbunden sind; und
Fig. 11 zeigt ein mikroskopisches Foto einer vergrößerten Schnittansicht des mit den Zylinderkopf verbundenen Ventilsitzes;
Fig. 12 bis 14 zeigen Zeichnungen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung:
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht des in einem Schritt vollständig verbundenen Ventilsitzes;
Fig. 13 zeigt eine vertikale Schnittansicht (a), die einen Schritt des Lötens des Ventilsitzes in einer U-Nut darstellt, und eine horizontale Schnittansicht (b); und
Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht, die ein Verfahren darstellt, wobei der Ventilsitz in der U-Nut verlötet wird.

BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nun wird ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf sowie ein bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet verwendeter Zylinderkopf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Das Verbindungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel dient der Verbindung eines Ventilsitzes mit einem Aluminiumzylinderkopf. Gemäß diesem Verfahren wird der Ventilsitz mit dem Kopf verbunden, indem der Sitz auf den Kopf aufgelötet wird, wobei ein Lot der Al-Zn-Art und ein Flußmittel der Fluoridart verwendet wird.
Das Lot für Aluminium ist ein Lot der Al-Si-Art. Die Zusammensetzung des Aluminiumzylinderkopfes ist eine Legierung der Al-Si-Art. Demgemäß ist das Lot der Al-Si-Art nicht zum Löten geeignet, weil der Schmelzpunkt des Lots ungefähr der des Zylinderkopfes ist. Demgemäß ist ein Lot nötig, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Zylinderkopf hat und das beim Betrieb des Motors nicht innerhalb dem Temperaturbereich des Zylinderkopfes (bis zu 300ºC) schmilzt. Die folgenden Lote sind von dieser Art:
Legierungen der Al-Zn-Art (eutektische Temperatur 382ºC),
Legierungen der Al-Mg-Art (eutektische Temperatur 437ºC),
Legierungen der Mg-Zn-Art (eutektische Temperatur 340ºC),
Legierungen der Mg-Pb-Art (eutektische Temperatur 466ºC),
Legierungen der Mg-Cu-Art (eutektische Temperatur 485ºC),
Legierungen der Ag-Mg-Art (eutektische Temperatur 472ºC)
Wenn das Löten ausgeführt wird, ist es notwendig, daß das Flußmittel eine Aktivierungstemperatur innerhalb dem Löttemperaturbereich hat, und es sollte ein nichtätzendes für Aluminium einsetzbares Flußmittel sein, das zum Entfernen von Oxiden verwendet wird, die auf der Metalloberfläche ausgebildet sind (ein Material, das das Gefüge nicht ätzt, wenn es nach dem Löten bleibt). Als ein derartiges Flußmittel können Flußmittel der Fluoridart gelten. Da Flußmittel der Fluoridart vorzugsweise mit Mg reagieren, hat das Lot, das Mg enthält, eine niedrigere Wirkung beim Entfernen von Oxiden, die an zu lötenden Abschnitten vorhanden sind, und hemmt die Lötwirkung. Demgemäß kann ein Lot der Al-Zn-Art als ein geeignetes Lot gewählt werden. Als Lote der Al-Zn-Art können Materialien auf der Grundlage von Al-Zn eingesetzt werden, die Si, Cu etc. enthalten. Insbesondere kann das Ausbreiten des Lots weiter verbessert werden, indem eine kleine Menge Si (ungefähr 0,5 Gewichtsprozente) zugemischt wird. In einem Al- Zn-Lot ist vorzugsweise Zn in einer Menge von zumindest 70 Gewichtsprozenten enthalten.
Das Flußmittel der Fluoridart umfaßt beispielsweise xCsF (100-x)AlF&sub3;, wobei 50 ≤ x ≤ 65 (Molprozent) . Das Flußmittel kann 5 Molprozent oder weniger KF, LiF, NaF, Cs&sub2;CO&sub3;, Al(OH)&sub3; etc. enthalten.
Der Verlauf der Fig. 6 zeigt ein Zustandsschaubild des Al-Zn- Systems. Bei diesem Verlauf zeigt die Abszisse die Atomprozente und die Gewichtsprozente von Zn; wohingegen die Ordinate die Temperatur zeigt. Die eutektische Temperatur des Lots der Al-Zn-Art, das 95 Gewichtsprozente Zn enthält, ist 382ºC. Wenn das Lot der Al-Zn-Art mehr als 95 Gewichtsprozent Zn enthält, wird die Formbarkeit des Materials zu niedrig, um zu einer gewünschten Form verarbeitet zu werden. Demgemäß ist es bei den Loten der Al-Zn-Art notwendig, den Al-Gehalt so viel wie möglich zu erhöhen. Da jedoch der Schmelzpunkt des Aluminiumzylinderkopfes bei 520 bis 580ºC liegt, sollte der Schmelzpunkt des Lots bei 500ºC oder niedriger liegen. Der Schmelzpunkt des Lots befindet sich vorzugsweise im Bereich zwischen 430 bis 500ºC.
Bei einer besonders bevorzugten Lotzusammensetzung ist Zn in einer Menge von 70 bis 90 Gewichtsprozenten der Gesamtmenge von Al und Zn bei dem vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren enthalten. Der Verlauf der Fig. 7 zeigt eine Beziehung zwischen der Löttemperatur und dem Füllfaktor des Lots in dem Lötspalt. Es soll beachtet werden, daß das Lot hier von der Al-Zn-Art ist, das 78 Gewichtsprozente Zn enthält. Bei diesem Verlauf ist das Ausbreiten des Lots bei einer Löttemperatur von weniger als 500ºC schlecht, so daß der Füllfaktor niedrig ist; wohingegen der Füllfaktor des Lots bei einer Löttemperatur von mehr als 500ºC auch niedrig ist, weil das Lot durch das Gefüge hindurch diffundiert. Je höher der Füllfaktor des Lots ist, um so größer ist der Lötbereich und um so höher ist die Lötfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit. Demgemäß wird das Löten am besten bei der Verwendung eines Lots der Al-Zn-Art (Schmelzpunkt: Soliduspunkt 425ºC, Liquiduspunkt 483ºC) , das 78 Gewichtsprozente Zn enthält, bei einer Löttemperatur von ungefähr 500ºC ausgeführt. Aus demselben Grund wird bei einem Lot der Al-Zn-Art, das 90 Gewichtsprozente Zn enthält, und bei einem Lot der Al-Zn-Art, das 70 Gewichtsprozente Zn enthält, das Löten am besten bei einer Löttemperatur von jeweils ungefähr 470ºC bis ungefähr 520 ºC ausgeführt. Kurz gesagt liegt die Löttemperatur vorzugsweise in dem Bereich von 470 bis 520ºC.
Dieses Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Fig. 5 zeigt einen Ventilsitz 1, der entlang einer Öffnung eines Anschlusses 3 in einem Zylinderkopf 2 befestigt ist. Der Zylinderkopf 2, der durch Gießen einer Legierung der Al-Si- Art geformt ist, hat den Anschluß 3 und die Öffnung des Anschlusses 3 enthält eine kreisförmige Stufe 4. Der kreisförmige Ventilsitz 1, der durch Löten an der Stufe 4 befestigt ist, ist aus einer gesinterten Legierung der Eisenart zusammengesetzt, die Legierungselemente wie beispielsweise Cr, Ni, Co, Mo etc. enthält. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthalten die Seiten des Ventilsitzes 1 eine Nickellage la, die durch eine autokatalytische oder stromlose Beschichtung der Ni-P-Art gebildet wird, insbesondere die Umfangsseite und die Unterseite, die mit dem Zylinderkopf 2 verbunden werden. Der Grund für die Ausbildung der Nickellage la besteht darin, daß Ni die Benetzbarkeit eines (später beschriebenen) Lots und die Affinität zwischen dem Eisen in dem Ventilsitz 1 und dem Lot der Al-Zn-Art verbessert.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, hat der Zylinderkopf 2 direkt nach dem Gießen einen kreisförmigen Steg 5, der sich entlang dem inneren Umfang der Stufe 4 des Anschlusses 3 erstreckt. Der Steg 5 und die Stufe 4 bilden zusammen eine kreisförmige U- Nut 6. Der Steg 5 ist einstückig mit dem Anschluß 3 ausgebildet, um von der Innenwand des Anschlusses 3 zu der Mitte des Anschlusses 3 vorzustehen. Der Einfachheit halber sind Fig. 1 und 2 gegenüber der Fig. 5 umgedreht dargestellt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein vorgegebener Spalt C2 zwischen dem äußeren Umfang des in der U-Nut 6 befindlichen Ventilsitzes 1 und dem inneren Umfang der Stufe 4 gewährleistet. Unrerdessen wird ein vorgegebener Spalt C1 (C1< C2) zwischen dem inneren Umfang des Ventilsitzes 1 und dem äußeren Umfang des Stegs 5 gewährleistet. Es soll hier beachtet werden, daß der Ventilsitz 1 auf eine derartige Weise positioniert wird, daß er nicht mit dem Steg 5 verlötet wird, so wie er von der U-Nut 6 (Stufe 4) versetzt ist. Wenn jedoch der Ventilsitz 1 nicht mit dem Steg 5 verlötet werden soll, kann der vorgegebene Spalt C1 Null sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zum Aufbringen des Ventilsitzes 1 auf den Zylinderkopf 2 ein kreisförmiger Steg 5 entlang dem inneren Umfang der kreisförmigen Stufe 4 ausgebildet, um eine U-Nut 6 zu definieren. Nachdem ein Lot 7 und ein Flußmittel 8 aufgetragen sind, wird der Ventilsitz 1 in der U-Nut 6 angeordnet. Der Ventilsitz 1 wird dann in der U-Nut 6 gelötet, und der Steg 5 wird abgeschnitten. Demgemäß kann der in der U-Nut 6 befindliche Ventilsitz 1 ohne Versatz von dem Anschluß 3 positioniert und gelötet werden. Des weiteren werden das Lot 7 und das Flußmittel 8 davon abgehalten, von der U-Nut 6 zu dem Anschluß 3 zu fließen. Somit ist der Zylinderkopf 2 mit einer um den Anschluß 3 herum ausgebildeten U-Nut 6 bestens für das Verfahren zum Verbinden des Ventilsitzes 1 unter Verwendung eines Lots 7 und eines Flußmittels 8 wie bei diesem Ausführungsbeispiel geeignet.
Als Nächstes wird das Verfahren zum Verbinden des Ventilsitzes 1 mit der U-Nut 6 des Anschlusses 3 beschrieben.
Zuerst werden ein Lot 7 und ein Flußmittel 8 der Fluoridart in der U-Nut 6 plaziert, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Genauer wird das Lot 7 über dem ganzen Boden der U-Nut 6 plaziert und dann wird das Flußmittel 8 überall in der U-Nut 6 aufgetragen. Hier wird ein Lot der Al-Zn-Art verwendet, das 78 Gewichtsprozente Zn enthält. Als Flußmittel 8 der Fluoridart werden 55 Molprozent CsF - 45 Molprozent AlF&sub3; verwendet (Aktivierungstemperatur 440 bis 580ºC)
Anschließend wird der Ventilsitz 1 in die U-Nut 6 eingepaßt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wobei die vorgegebenen Spalte C1, C2 gewährleistet werden. Der Ventilsitz 1 wird dann unter Verwendung eines Greifbackens oder dergleichen gegen den Zylinderkopf 2 gepreßt, wie der Pfeil in Fig. 4 zeigt. In diesem gepreßten Zustand wird der Ventilsitz 1 zusammen mit dem Zylinderkopf 2 in einen (nicht gezeigten) Ofen eingeführt und auf ungefähr 500ºC aufgeheizt. Das Heizen in dem Ofen wird vorzugsweise bei einem Taupunkt minus 30ºC in einer Stickstoffatmosphäre begonnen.
Wenn die Heiztemperatur sich 500ºC nähert, wird das Flußmittel 8 aktiviert. Das aktivierte Flußmittel 8 entfernt Oxide, die auf den Lötoberflächen des Ventilsitzes 1, der Stufe 4 und dem Steg 5 ausgebildet sind. Wenn das Lot 7 schmilzt, breitet es sich überall in den zwischen dem Ventilsitz 1 und der Stufe 4 und dem Steg 5 definierten Spalten aus, um sie aufzufüllen.
Anschließend wird der Verbindungsbereich gekühlt, und der Steg 5 wird unter Verwendung einer Fräsmaschine oder dergleichen entfernt. Gleichzeitig werden drei Seiten des Ventilsitzes 1 bearbeitet. Die drei zu bearbeitenden Seiten des Ventilsitzes 1 sind die innere Umfangsseite α, die sich nicht in Kontakt mit der Stufe 4 befindet, die Sitzoberfläche β, die sich in Kontakt mit dem Ventil befindet, und die Unterseite γ, die der Brennkammer ausgesetzt ist.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren wird der Ventilsitz 1 durch das Al-Zn-Lot 7 und das Flußmittel 8 der Fluoridart mit dem Aluminiumzylinderkopf 2 verlötet Somit erhöht das zwischen diese beiden Elemente 1, 2 eingefüllte Metall den Verbindungsbereich, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Ventilsitz 1 und dem Zylinderkopf 2 zu verbessern. Infolge dessen kann die Temperatur des Ventilsitzes 1 gesenkt werden.
Die gesenkte Temperatur des Ventilsitzes 1 reduziert das Motorklopfen. Des weiteren braucht der Ventilsitz 1 keine Paßtiefe im Gegensatz zu dem Ventilsitz nach dem Preßpaßverfahren, so daß die Dicke des Ventilsitzes 1 entsprechend reduziert werden kann. Des weiteren ermöglicht die Reduzierung der Dicke der Gußwand zwischen dem Ventilsitz eine Erhöhung des Ventilsitzdurchmessers und des Anschlußdurchmessers, wodurch die Effizienz der geförderten Luft zu der Brennkammer, die Motorleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden. Darüber hinaus reduziert das Dünnermachen des Ventilsitzes 1 die Menge des verwendeten Materials.
Bei der vorstehenden Beschreibung werden die Ventilsitze 1 mit den Anschlüssen 3 verlötet, die jeweils zu den Motorzylindern gehören. Bei einem Vierzylindermotor wurden Ventilsitze 1 mit einem Zylinderkopf 2 an entsprechenden Stellen von zwei Zylindern verlötet, wie vorstehend beschrieben ist. Zwecks eines Vergleichs wurden des weiteren Ventilsitze 1 in den Stufen 4 des Zylinderkopfes 2 an entsprechenden Stellen der übrigen zwei Zylinder preßgepaßt.
Der Motor mit den Ventilsitzen 1, von denen die Hälfte gelötet war und der Rest preßgepaßt war, wurde mit 6000 min&supmin;¹ betrieben, um die Temperatur der Ventilbetriebsseiten zu messen, d.h. der Sitzoberflächen β der Ventilsitze 1. Als ein Ergebnis hatten die gelöteten Ventilsitze 1 eine durchschnittliche Temperatur von 248ºC auf der Sitzoberfläche β; wohingegen die preßgepaßten Ventilsitze eine durchschnittliche Temperatur von 282ºC auf der Sitzoberfläche β hatten. Somit haben die gelöteten Ventilsitze 1 eine bessere Kühlwirkung als die preßgepaßten Ventilsitze.
Die Verbindungsfestigkeit der gelöteten Ventilsitze 1 wurde mit der von den preßgepaßten Ventilsitzen verglichen. Während als ein Ergebnis die durch Preßpassen erreichte Verbindungsfestigkeit ungefähr 1 kgf/mm² war, war die durch Löten erreichte Verbindungsfestigkeit 10 Mal so hoch.
Die bei diesem Ausführungsbeispiel auf die Verbindungsoberflächen des Ventilsitzes 1 aufgebrachte Nickellage 1 hemmt die Bildung eines zwischenmetallischen Aluminiumgemisches, das durch die Diffusion von Eisen in dem Ventilsitz 1 und des Lots 7 verursacht wird. Des weiteren ist die Benetzbarkeit des Lots 7 gegenüber dem Ventilsitz 1 verbessert, um eine Verbindung zwischen dem Ventilsitz 1 und dem Zylinderkopf 2 zu erreichen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel ein Lot 7 der Al-Zn-Art verwendet wird, das 78 Gewichtsprozente Zn enthält, wurden die Ventilsitze 1 mit dem Aluminiumzylinderkopf 2 durch ein Material verlötet, das einen Schmelzpunkt hat, der gleich oder niedriger als der des Zylinderkopfes 2 ist. Das Löten kann nämlich bei dem Schmelzpunkt des Zylinderkopfes 2 oder darunter ausgeführt werden.
Die Löttemperatur ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf ungefähr 500ºC eingerichtet, so daß sich das Lot 7 bestens ausbreitet, um den verbesserten Faktor zwischen dem Ventilsitz 1 und dem Zylinderkopf 2 zu zeigen, der einen maximalen Lötbereich und eine maximale Lötfestigkeit zwischen diesen beiden Elementen 1, 2 schafft, während die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Ventilsitz 1 und dem Zylinderkopf 2 erhöht wird.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Das Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopf gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eines, um einen Ventilsitz, der aus einem Material der Eisenart hergestellt ist, mit einem Aluminiumzylinderkopf zu verbinden. Nachdem bei diesem Verfahren ein Flußmittel der Fluoridart auf den Ventilsitz aufgebracht ist, werden der Ventilsitz und der Zylinderkopf miteinander verlötet
Im allgemeinen ist es schwierig, Ventilsitze durch ein metallurgisches Verbindungsverfahren mit einem Aluminiumzylinderkopf zu verbinden. Der Grund ist der, daß nicht entfembare Eisenoxide und Aluminiumoxide an der Schnittstelle zwischen den Ventilsitzen und dem Zylinderkopf vorhanden sind, wenn eine heiße Aluminiumschmelze in eine Gußform gegossen wird. Das bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte Flußmittel der Fluoridart dient dem Entfernen derartiger Oxide, und es wird ein nichtätzendes Flußmittel für Aluminium verwendet, das keine Korrosion des Aluminiumzylinderkopfes verursacht. Ein derartiges Flußmittel umfaßt eine KF-AlF&sub3;-Art, eine CsF-AlF&sub3;-Art, KF-CsF-AlF&sub3;, CsF- AlF&sub3;-Al(OH)&sub3;, KF-AlF&sub3;-LiF und CsF-AlF&sub3;-LiF. Da diese Flußmittel kein Chlorid enthalten, verursachen sie keine Korrosion der Ventilsitze oder der Zylinderköpfe. Bei einem geeigneten Verfahren des Aufbringens des Flußmittels ist ein Flußmittel der Fluoridart in einer Lösung wie beispielsweise Ethylalkohol verteilt, und die Ventilsitze werden in die Dispersion eingetaucht. Dieses Aufbringverfahren wird deshalb bevorzugt, weil das Flußmittel nach dem Eintauchen schnell getrocknet werden kann, und weil das Flußmittel gleichmäßig auf die Ventilsitze aufgebracht werden kann. Das Aufbringverfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Beim Ausführen der Verbindung ist es möglich, eine metallurgische Verbindung zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf zu erreichen. An der Schnittstelle zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf werden jedoch spröde zwischenmetallische Eisen-Aluminium-Gemische gebildet. Demgemäß wird der Ventilsitz vorzugsweise an der Oberfläche mit einem anderen Metall als Eisen oder Aluminium überzogen, das eine gute Affinität mit dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf hat.
Somit ist der Ventilsitz an der Oberfläche mit einem Metall überzogen, das eine gute Affinität mit dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf hat, bevor das Flußmittel der Fluoridart auf den Ventilsitz aufgebracht wird. Metalle mit einer guten Affinität mit dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf umfassen Nickel, Kupfer, Zink und Chrom. Unter diesen sind Nickel und Kupfer vorzuziehen, weil sie eine große Wirkung beim Hemmen der Bildung von zwischenmetallischen Eisen-Aluminium- Gemischen haben und weil sie preiswert sind. Die Überzugsverfahren umfassen ein stromloses Beschichten, ein Elektroplattieren, ein Heißtauchbad, ein Aufdampfen, ein Sputtern, ein CVD-Verfahren und ein thermisches Spritzen.
Bei einem Verbindungsverfahren wird ein Kammerkern auf einem Unterkasten eingerichtet, und Ventilsitze werden an vorgegebenen Positionen des Kerns eingerichtet. Die Ventilsitze sind zeitweilig mit einem Flußmittel der Fluoridart mit oder ohne einen Nickelgrundüberzug überzogen, wie vorstehend beschrieben ist. Des weiteren sind notwendige Kerne wie beispielsweise Anschlußkerne und Wassermantelkerne an vorgegebenen Positionen des Unterkastens eingerichtet, und dann wird der Unterkasten mit einer Oberform geschlossen, um eine Gußform zu bilden. Nachdem eine heiße Aluminiumschmelze in die Form gegossen wurde und sie für eine vorgegebene Zeit gekühlt wurde, wird die Gußform zerlegt, um einen mit den Ventilsitzen verbundenen Zylinderkopf zu erhalten.
Fig. 10 zeigt einen Zustand, wobei ein Ventilsitz 31 mit einer Öffnung eines Anschlusses 33 eines Zylinderkopfes 32 verbunden ist. Der Zylinderkopf 32 ist unter Verwendung einer Legierung der Al-Si-Art geformt. Der Ventilsitz 31 ist mit einer kreisförmigen Stufe 34 verbunden, die um die Öffnung des Anschlusses 33 herum ausgebildet ist. Der Ventilsitz 31 ist im Zylinderkopf 2 enthalten, wenn der Zylinderkopf 32 gegossen ist.
Das Verfahren zum Verbinden des Ventilsitzes 31 wird nachfolgend beschrieben. Fig. 9 zeigt im Schnitt eine Gußform 41 zum Formen eines Zylinderkopfes 32. Der Ventilsitz 31 ist aus einer gesinterten Legierung der Eisenart hergestellt, die ein Legierungselement wie beispielsweise Or, Ni, Co und Mo enthält.
Zunächst wird, wie in Fig. 8 gezeigt ist, eine stromlose Beschichtung der Ni-P-Art auf die Oberfläche des Ventilsitzes 31 aufgebracht, insbesondere auf die äußere Umfangsseite und die Unterseite, die mit dem Zylinderkopf 32 verbunden werden sollen, um eine Nickellage 31a mit einer Dicke von ungefähr 5 um zu bilden.
Als Nächstes wird ein Flußmittel der Fluoridart mit einer Zusammensetzung von 55 Molprozenten CsF und 45 Molprozenten AlF&sub3; in einem Ethylalkohollösungsmittel verteilt. Das somit verteilte Flußmittel wird auf die Oberfläche des Ventilsitzes 31 aufgebracht.
Danach definiert eine Zwischenform 40, die zwischen einem Unterkasten 35 und einer Oberform 39 zwischengesetzt ist, zusammen mit diesen Formen 35, 39 eine Aushöhlung, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Ein geschmolzenes Metall zum Gießen muß durch einen Eingußkanal 42 gegossen werden, der in dem Unterkasten 35 an einer vorgegebenen Position definiert ist. Ein Kammerkern 36 ist an einer vorgegebenen Position des Unterkastens 35 plaziert, und Ventilsitze 31, die mit einem Flußmittelgrundüberzug versehen sind, sind an vorgegebenen Positionen des Kerns 36 eingerichtet. Des weiteren sind die notwendigen Kerne 43, die Anschlußkerne 37 und Wassermantelkerne 38 umfassen, sowie Ventilführungsöffnungsbildungsstifte 44 an vorgegebenen Positionen des Unterkastens 35 eingerichtet. Der Unterkasten 35 wird dann über die Zwischenform 40 mit der Oberform 39 in Eingriff gebracht, um die Gußform 41 zu vervollständigen.
Die Gußform 41 wird auf eine Temperatur von 450ºC aufgeheizt, um das Fließen einer heißen Schmelze überall in der Form 41 zu verbessern. Dann wird eine 700ºC heiße Schmelze aus AC2B (JIS = japanischer Industrie Standard) über den Eingußkanal 42 in die Aushöhlung hinein gegossen.
Danach wird die Gußform 41 für eine vorgegebene Zeit gekühlt und dann wird die Form 41 zerlegt, um einen gegossenen Zylinderkopf 32 zu erhalten. Der Zylinderkopf 32 ist einstückig mit den Ventilsitzen 31, wenn der Zylinderkopf 32 geformt ist.
Fig. 11 zeigt ein mikroskopisches Foto einer vergrößerten Querschnittsansicht eines Ventilsitzes 31, der gemäß dem vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahren mit einem Zylinderkopf 32 verbunden ist. Es ist zu erkennen, daß an der Schnittstelle zwischen dem aus einem gesinterten Material der Eisenart hergestellten Ventilsitz 31 und dem gegossenen Aluminiumzylinderkopf 32 eine metallurgische Verbindung ausgebildet ist. Da der Ventilsitz 31 eine an der Oberfläche ausgebildete Nickellage 31a hat, ist zu sehen, daß kein zwischenmetallisches Eisen-Aluminium-Gemisch ausgebildet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet der mit dem Zylinderkopf 32 einstückige Ventilsitz 31 beim Formen des Zylinderkopfes 32 eine metallurgische Verbindung mit dem Zylinderkopf 32 mit der Hilfe des Flußmittels der Fluoridart. Die zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Zylinderkopf 32 gebildete metallurgische Verbindung erhöht den Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Elementen 31, 32, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Zylinderkopf 32 zu verbessern, und somit kann die Temperatur des Ventilsitzes 31 gesenkt werden. Die gesenkte Temperatur des Ventilsitzes 31 reduziert das Motorklopfen. Des weiteren braucht der Ventilsitz 31 keine Paßtiefe im Gegensatz zu dem Ventilsitz nach dem Preßpaßverfahren; deshalb kann die Dicke des Ventilsitzes 31 entsprechend reduziert werden. Außerdem ermöglicht die Reduzierung der Dicke der Gußwand zwischen dem Ventilsitz eine Erhöhung des Ventilsitzdurchmessers und des Anschlußdurchmessers, um die Effizienz der geförderten Luft zu der Brennkammer, die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. Darüber hinaus reduziert das Dünnermachen des Ventilsitzes 31 die Menge des verwendeten Materials. Da außerdem das Flußmittel der Fluoridart kein Chlorid enthält, gibt es keine korrosion der Ventilsitze 31 und des Zylinderkopfes 32.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Aluminiumzylinderkopf 32 und dem Ventilsitz 31 die auf die Oberfläche des Ventilsitzes 31 der Eisenart aufgebrachte Nickellage 31a vorhanden, so daß es für das Material der Eisenart schwierig ist, mit dem Aluminium zu reagieren, um die Bildung eines spröden zwischenmetallischen Eisen- Aluminium-Gemisches an der Schnittstelle zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Zylinderkopf 32 zu regulieren. Des weiteren verbessert die Nickellage 31a die Benetzbarkeit der heißen Aluminiumschmelze, um zwischen diesen beiden Elementen 31, 32 erfolgreich eine metallurgische Verbindung zu bilden.
Obwohl hier nur zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen besonderen Gestalten ausgeführt werden kann ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Insbesondere sollte beachtet werden, daß die vorliegende Erfindung auf die folgenden Arten ausgeführt werden kann:
Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Nickellage la des Ventilsitzes 1 durch ein stromloses Beschichten der Ni-P- Art gebildet wird, kann die Nickellage la auf eine alternative Weise gebildet werden, beispielsweise mittels Aufdampfen, Sputtern, einem CVD-Verfahren, einem thermischen Spritzen, einem stromlosen Beschichten der Ni-B-Art oder einem Elektroplattieren.
Während der Ventilsitz 1 beim ersten Ausführungsbeispiel mittels Beschichten vor dem Löten mit einem Ni-Grundüberzug versehen ist, kann der Ventilsitz 1 alternativ mit anderen Metallen als Ni überzogen sein, so lange wie sie die Benetzbarkeit des Lots verbessern können.
Wie in Fig. 12 gezeigt ist, kann es als eine Anderung des ersten Ausführungsbeispiels möglich sein, daß ein Wassermantel lQ und eine Stufe 4, die beide in dem Zylinderkopf 2 definiert sind, über eine Durchgangsöffnung 11 miteinander verbunden sind, die beim Löten des Ventilsitzes 1 mit dem Lot 7 blockiert werden kann. Dabei wird der Ventilsitz 1 über das in die Lötspalte gefüllte Lot 7 direkt durch das kühlwasser in dem Wassermantel 10 gekühlt. Demgemäß kann die Kühlwirkung des Ventilsitzes 1 verbessert werden.
Während das Löten des Ventilsitzes 1 beim ersten Ausführungsbeispiel in einem Ofen ausgeführt wird, kann der Ventilsitz 1 unter Verwendung von Induktionswärme gelötet werden. Wie in Fig. 13 genauer gezeigt ist, wird eine runde Spule 13 um die kreisförmige U-Nut 6 herum angeordnet, und der Ventilsitz 1 wird durch einen Greifbacken oder dergleichen abwärts gedrückt. In diesem Zustand kann das Aufheizen des Lots 7 und des Flußmittels 8 durch die Anwendung der Hochfrequenzinduktion der Spule 13 ausgeführt werden. Dabei wird der Ventilsitz 1 gelötet, wenn das Lot 7 und das Flußmittel 8 auf 500ºC aufgeheizt werden. Nach Vollendung des Lötens kann der Steg 5 auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel entfernt werden.
Als eine andere Alternative kann der Ventilsitz einem Widerstandslöten ausgesetzt werden. Wie in Fig. 14 genauer gezeigt ist, wird die U-Nut 6 wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit dem Lot 7 und dem Flußmittel der Fluoridart gefüllt. Danach wird der Ventilsitz 1 durch ein Paar Elektroden 14, 15 gedrückt, die jeweils an der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 2 angeordnet sind. Elektrizität wird über den Elektroden 14, 15 aufgebracht, um die Widerstände aufzuheizen und das Lot 7 zu schmelzen und somit den Ventilsitz 1 zu löten. Nach Vollendung des Lötens kann der Steg 5 auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel entfernt werden.
Während beim zweiten Ausführungsbeispiel die Oberfläche des Ventilsitzes 31 mit Nickel überzogen ist, kann sie alternativ mit Kupfer, Zink, Chrom etc. überzogen sein.
Deshalb sind die vorliegenden Beispiele und Ausführungsbeispiele als darstellend und nicht als einschränkend zu betrachten, und die Erfindung ist nicht auf die hier angegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb dem Umfang der beigefügten Ansprüche abgewandelt werden.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes (1, 31), der aus einem Material der Eisenart hergestellt ist, mit einem Zylinderkopf (2, 32), der aus Aluminium hergestellt ist, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:

Zwischensetzen eines Flußmittels (8) der Fluoridart zwischen dem Ventilsitz (1, 31) und dem Zylinderkopf (2, 32).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz (1) durch die Verwendung eines Lots (7) der Al-Zn-Art und des Flußmittels (8) der Fluoridart mit dem Zylinderkopf (2) verlötet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Lot (7) der Al-Zn-Art 70 bis 90 Gewichtsprozente Zn enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lot (7) und das Flußmittel (8) zum Löten auf 470 bis 520ºC aufgeheizt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Lot (7) der Al-Zn-Art ein aus Al-Zn bestehendes Grundmaterial und einen Zusatz enthält, der im wesentlichen aus Si und Cu besteht.

6. Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche, wobei der Zylinderkopf (2) einen pneumatischen Durchtritt (3) mit einer Öffnung hat, die durch eine kreisförmige Stufe (4) umgeben ist, wobei die kreisförmige Stufe (4) eine U-förmige Nut (6) mit einem kreisförmigen Steg (5) definiert, der mit der kreisförmigen Stufe (4) verbunden ist und parallel dazu verlängert ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das des weiteren die folgenden Schritte aufweist:

Einpassen des Ventilsitzes (1) in die U-förmige Nut (6), Verlöten des Ventilsitzes (1) mit einer inneren Oberfläche der Nut (6); und

Entfernen des kreisförmigen Stegs (5) von der kreisförmigen Stufe (4).

8. Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren folgenden Schritt aufweist:

Aufbringen des Fluoridflußmittels auf den Ventilsitz (31) vor dem Verbinden des Ventilsitzes (31) mit dem Zylinderkopf (32).

9. Verfahren nach Anspruch 8, das des weiteren einen Schritt des Überziehens des Ventilsitzes (31) mit einem Metall aufweist, das eine hohe Affinität gegenüber dem Ventilsitz (31) und dem Zylinderkopf (32) hat.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Ventilsitz (31) mit dem Flußmittel überzogen wird, indem der Ventilsitz (31) in eine Lösung eingetaucht wird, die das Flußmittel und ein organisches Lösungsmittel enthält, in dem das Flußmittel verteilt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ventilsitz (31) mit dem Flußmittel überzogen wird, indem der Ventilsitz (31) in eine Lösung eingetaucht wird, die das Flußmittel und ein organisches Lösungsmittel enthält, in dem das Flußmittel verteilt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Ventilsitz (31) aus einer gesinterten Legierung der Eisenart hergestellt ist, die Cr, Ni, Co und Mo enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 8, wobei der Ventilsitz (1, 31) mit Nickel (1a, 31a) überzogen ist.